Приветствую дорогие читатели, сегодня очередная мини-статейка на тему высоких измерительных технологий. Мы с вами попробуем создать простые коробки для резисторов с целью экспресс тестирования электрометров Keysight B2985A/B2987A. Описанные ниже методики подходят и к другой измерительной технике, но с учетом своих нюансов. По этому, для понимания общих принципов ознакомьтесь с моей, и адаптируйте ее под себя.
Часто все проблемы измерения кроются внутри измерительного бокса входящего в состав комплекса по измерению малых токов и высоких сопротивлений. По этому важно иметь возможность быстро проверить так-ли это, и отсечь возможные ошибки конфигурации электрометра и возможные проблемы его кабелей.
Самый простой способ это сделать – подключить к электрометру “референсное” заведомо известное сопротивление. Тогда согласно закону Ома, зная сопротивление и управляя приложенным к нему напряжением, мы можем получать определенный нужный нам ток. Этот метод не представляет никаких проблем, когда речь идет о токах более 1 мкА, но при меньших токах, с которыми обычно и работают электрометры это вызывает ряд проблем:
- Поверхность резистора должна быть всегда чистой, чтобы исключить утечку по поверхности и электрохимическую генерацию тока.
- Резистор и вход амперметра должны быть полностью экранированы, чтобы свести к минимуму влияние посторонних электромагнитных помех и полей.
- Подключение должно быть выполнено теми-же типами разъемов что и измерительный бокс, чтобы в точности повторить условия. Обычно это Triaxial для входа амперметра и Banana jack 4mm для подведения высокого потенциала.
- Высоковольтный ввод должен быть защищен от случайного касания.
Такие устройства есть, тому пример Keysight N1422A, там установлено сопротивление 100 ГОм:
Если-бы не его цена под 500$, то возможно-бы этого материала не было, но Кейсайты не умеют делать ничего дешевого, по сему продолжим материал….
Одна из типичных схем измерения сопротивлений выглядит так, ее мы и повторим:
Но номинал N1422A несколько не удобен для проверки работоспособности приборов серии B2980. Оптимальным в данном случае мне видится набор из двух сопротивлений 1 ТОм и 5 ГОм. Поскольку они лучше подходят к низкотоковым диапазонам моего прибора:
- Приложенное напряжение 1000В к 5 ГОм = ток ~200 нА.
- Приложенное напряжение 100В к 5 ГОм = ток ~20 нА.
- Приложенное напряжение 10В к 5 ГОм = ток ~2 нА.
- Приложенное напряжение 200В к 1 ТОм = ток ~200 пА.
- Приложенное напряжение 20В к 1 ТОм = ток ~20 пА.
- Приложенное напряжение 2В к 1 ТОм = ток ~2 пА.
В результате покрываются все диапазоны прибора от 200 нА до 2 пА.
Хорошо-бы еще найти резистор ТераОм эдак на 100-500 для третьего бокса, но к сожалению их найти не удалось. Видимо мои желания лежат за пределами технических возможностей изготовителей.
Для этих задач мне показались очень подходящими резисторы Ohmite серий Mini-Mox, эта серия не только высокоомна, но еще и достаточно высоковольтна для беспроблемной эксплуатации на напряжениях до +-1000В. К сожалению у меня были лишние резисторы только Mini-Mox MOX112523100AK на 1 ТОм. А на 5 ГОм пришлось использовать SMD-серию HVF потому-что от моих разных проектов остались только SMD резисторы HVF2512T5007FE и им пришлось отрастить ноги.
Помимо них, нам потребуются:
- Banana jack разъемы Pomona 72913.
- Triaxial разъемы Molex 73175-0010.
- Боксы 50*25*25mm c Али, вот эти.
- Хорошо-бы закупить еще и заглушки Keysight N1417A, но на худой конец могут подойти и силиконовые чехлы для классических BNC разъемов. Можно попробовать колпачки RFI75-1, должны подойти.
После непродолжительного сеанса наппилинга получаем вот такие конструкции:
Я старался выбрать корпуса как можно меньше, это мой пунктик, но тут естественно ограничения нет.
При сборке будьте предельно внимательны, в моментах:
- Не трогайте руками резисторы.
- Проверьте наличие значительных зазоров между выводами резистора, его корпусом и корпусом коробки, во избежании пробоя.
- Ни в коем случае не касайтесь триаксиального разъема голыми руками.
- Работайте только в перчатках очищенных метанолом.
- Помните метанол (CH3OH) – опасный яд!
- Не используйте флюс, или используйте его настолько мало, чтобы он не попал на изоляторы, и обязательно смойте его метанолом.
- После пайки обработайте резисторы метанолом очень высокой степени чистоты и просушите сборки с открытой крышкой в печи при 60-80 градусах 6-8 часов. А после сушки сразу закройте бокс, во избежании попадания пыли.
- Торцы боксов зачистите от краски, чтобы после сборки они создали единый замкнутый контур.
- Предусмотрите демпфирующие изгибы выводов резисторов, чтобы при подключении кабелей к боксу, резисторы испытывали минимальный механический стресс.
- При пайке проконтролируйте чтобы выводы резисторов не натягивали и не сжимали резисторы.
Если Вам кажется что эти требования излишне, то поверьте мне на слово, это не так! Это всего-лишь минимальный набор требований, призванный обеспечить хотя-бы минимальную степень чистоты конструкции.
После 2-4 недель выдержки боксов в нормальных условиях, когда влажность в них сравняется с внешней, можно провести образцовые замеры сопротивления. Не удивляйтесь, что при разном приложенном напряжении сопротивление будет разное, это связанно с не нулевым коэффициентом VCR, о чем честно сообщают даташиты.
Нормальной практикой точного измерения является следующая последовательность:
- Прогрейте электромер на протяжении 2-х часов с отключенным входом.
- Произведите автокалибровку в соответствии с документацией. (я этот пункт выполняю раз в месяц-два)
- Выдержите прибор еще 10 минут с отключенным входом, с фильтром Moving average 20 и NPLC равным 100.
- Сбросьте смещение нуля “ZC” (Zero Correction). Это позволит скомпенсировать смещение внутренних цепей прибора. Если электрометр перед этим не прогрет достаточно длительное время, ноль может уплыть во время замера.
- Подключите измеряемый референс.
- Включите вход амперметра и подачу напряжения в цепь.
- Сбросьте ошибку нуля вносимую блоком питания, при установленном напряжении 0В.
- Выставите необходимые напряжения и произведите измерение с необходимым набором фильтров, я обычно применяю Median 0, Moving average 20 для таких коробочек.
- Контролируйте угол наклона тренда тока на графике и его историю. Когда в интервале 100 секунд вы увидите четкие признаки стабилизации – эффекты диэлектрической абсорбции снизились до предельно малых значений. Обычно на моих боксах это достигается на 30-60 секунд, не более, но я еще дополнительно жду, чтобы ошибочные измерения вышли из массива данным Moving Average фильтра.
- Проверьте наличие тока с отключенным высоковольтным проводом, если он фиксируется, у вас скорее всего загрязнен триаксиал, в результате чего грязь на изоляторе генерирует электрохимический ток, и требуется его очистка.
После измерения составьте таблицу на которую вы в дальнейшем будите ориентироваться при проверке. В дальнейшем, полагаться на нее на 100% не стоит, поскольку представленная конструкция далека от эталонной, но как точки для экспресс-теста данная табличка будет очень полезной.
При хранении референсных боксов, всегда сразу после отключения кабеля, надевайте на триаксиальные разъемы заглушки, чтобы избежать их загрязнения пылью и руками. Загрязнение легче предотвратить чем убрать!
Некоторые из читателей наверняка задумаются на тему влияния влажности. Мои опыты демонстрируют, что на ТераОмные Mini-Mox резисторы влажность при нормальных ее значениях почти не влияет. Примерно за неделю до написания данного материала я замерял один из моих Mini-Mox’в в диапазоне от 20 до 50%RH, влияние влажности прослеживается слабо, есть только едва заметное изменение сопротивления на сотню с небольшим PPM, что можно смело списать на ошибку измерения. Для сравнения, VCR коэффициент резисторов влияет на измерение куда больше. Но сухой бокс на 0% влажности и на высоких ее уровнях ведет себя плохо. Так-что если влажность в нормальных приделах, ей смело можно пренебречь. К тому-же задачи сделать эталон – не стоит….. пока не стоит…. но на эту тему я активно думаю…